DE102015000852A1 - Freezing start method for a fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Es werden Verfahren zum Hochfahren eines Brennstoffzellensystems von Temperaturen unter Null offenbart, welche die latente Kristallisationswärme verwenden, welche in einem Wasservorrat zur Verfügung steht, welcher oberhalb der Gefriertemperatur gehalten wird. Während des Hochfahrens wird ein Wassersprüh-Teilsystem verwendet, um Wasser aus dem Vorrat auf eine Wärmetausch-Oberfläche in einem Wärmetauschelement zu sprühen, durch welches Kühlmittel aus einem Brennstoffzellenstapel-Kühlmittelkreis zirkuliert. Das Wasser friert an der Wärmetausch-Oberfläche an, und die Kristallisationswärme wird mit dem zirkulierenden Kühlmittel durch die Wärmetausch-Oberfläche hindurch ausgetauscht, wobei das Kühlmittel erwärmt wird.Disclosed are methods for ramping up a fuel cell system from below zero temperatures using the latent heat of crystallization available in a water supply maintained above the freezing temperature. During startup, a water spray subsystem is used to spray water from the reservoir onto a heat exchange surface in a heat exchange element through which coolant circulates out of a fuel cell stack coolant loop. The water freezes on the heat exchange surface, and the heat of crystallization is exchanged with the circulating coolant through the heat exchange surface, heating the coolant.
Description
Hintergrundbackground
Gebiet der ErfindungField of the invention
Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zum Hochfahren eines Brennstoffzellensystems bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts. Insbesondere betrifft sie Verfahren zum Hochfahren eines automobilen Brennstoffzellensystems, welches einen Feststoff-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapel umfasst.The present invention relates to methods of starting up a fuel cell system at sub-freezing temperatures. More particularly, it relates to methods for powering up an automotive fuel cell system that includes a solid polymer electrolyte fuel cell stack.
Beschreibung des verwandten Stands der TechnikDescription of the Related Art
Brennstoffzellen wie Feststoff-Polymer-Elektrolyt- oder Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen konvertieren elektrochemisch Reaktanden, nämlich einen Brennstoff (wie etwa Wasserstoff) und ein Oxidationsmittel (wie etwa Sauerstoff oder Luft), um elektrische Leistung zu erzeugen. Feststoff-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen verwenden im Allgemeinen einen protonenleitfähigen Feststoff-Polymer-Membran-Elektrolyten zwischen kathodischen und anodischen Elektroden. Eine Struktur, welche einen Feststoff-Polymer-Membran-Elektrolyten umfasst, welcher zwischen diesen beiden Elektroden angeordnet ist, wird als eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) bezeichnet. In einer typischen Brennstoffzelle sind auf jeder Seite der MEA Strömungsfeldplatten vorgesehen, welche zahlreiche Fluidverteilungskanäle für die Reaktanden umfassen, um den Brennstoff und das Oxidationsmittel auf die jeweiligen Elektroden zu verteilen, und um Nebenprodukte der elektrochemischen Reaktionen abzuführen, welche innerhalb der Brennstoffzelle stattfinden. Wasser ist das hauptsächliche Nebenprodukt in einer Brennstoffzelle, welche mit Wasserstoff und Luft als Reaktanden betrieben wird. Weil die Ausgangsspannung einer einzelnen Zelle in der Größenordnung von 1 V liegt, wird für kommerzielle Anwendungen üblicherweise eine Mehrzahl von Zellen in Reihen zusammengestapelt, um eine höhere Ausgangsspannung bereitzustellen. Die Brennstoffzellenstapel können für die Nutzung in automobilen Anwendungen und dergleichen weiter in Gruppen von miteinander in Reihe und/oder parallel verbundenen Stapeln verbunden sein.Fuel cells such as solid polymer electrolyte or proton exchange membrane fuel cells electrochemically convert reactants, namely a fuel (such as hydrogen) and an oxidant (such as oxygen or air) to produce electrical power. Solid polymer electrolyte fuel cells generally use a proton conductive solid polymer membrane electrolyte between cathodic and anodic electrodes. A structure comprising a solid-polymer membrane electrolyte interposed between these two electrodes is referred to as a membrane-electrode assembly (MEA). In a typical fuel cell, flow field plates are provided on each side of the MEA, which include numerous fluid distribution channels for the reactants to distribute the fuel and oxidant to the respective electrodes, and to remove byproducts of the electrochemical reactions that take place within the fuel cell. Water is the major by-product in a fuel cell operated with hydrogen and air as reactants. Because the output voltage of a single cell is on the order of 1V, for commercial applications, usually a plurality of cells are stacked in rows to provide a higher output voltage. The fuel cell stacks may be further connected in groups of stacks connected together in series and / or parallel for use in automotive applications and the like.
Zusammen mit Wasser ist Wärme ein bedeutendes Nebenprodukt der elektrochemischen Reaktionen, welche innerhalb der Brennstoffzelle stattfinden. Im Allgemeinen werden daher Mittel zum Kühlen eines Brennstoffzellenstapels benötigt. Stapel, welche dazu ausgelegt sind, eine hohe Leistungsdichte zu erreichen (zum Beispiel automobile Stapel) zirkulieren typischerweise ein flüssiges Kühlmittel durch den Stapel, um Wärme rasch und effizient abzuführen. Um dies zu erreichen, sind typischerweise auch Kühlmittel-Strömungsfelder, welche zahlreiche Kühlmittelkanäle umfassen, in die Strömungsfeldplatten der Zellen in den Stapeln integriert. Die Kühlmittel-Strömungsfelder können auf den elektrochemisch inaktiven Oberflächen der Strömungsfeldplatten ausgebildet sein und können so das Kühlmittel relativ gleichmäßig innerhalb der Zellen verteilen, wobei sie das Kühlmittel zuverlässig von den Reaktanden getrennt halten.Along with water, heat is a significant by-product of the electrochemical reactions that take place within the fuel cell. In general, therefore, means for cooling a fuel cell stack are needed. Stacks designed to achieve high power density (eg automobile stacks) typically circulate a liquid coolant through the stack to dissipate heat rapidly and efficiently. To accomplish this, typically, coolant flow fields including numerous coolant channels are also integrated into the flow field plates of the cells in the stacks. The coolant flow fields may be formed on the electrochemically inactive surfaces of the flow field plates and so may distribute the coolant relatively evenly within the cells while reliably keeping the coolant separate from the reactants.
Verschiedene Teilsysteme und Verfahren wurden im Stand der Technik für Zwecke der Verbesserung der Kühlleistung in solchen Stapeln offenbart. Zum Beispiel beschreibt die
In bestimmten Anwendungen können PEMFC-Stapel wiederholten An-Aus-Arbeitszyklen ausgesetzt sein, welche eine Aufbewahrung für verschiede lange Zeiträume und bei verschiedenen Temperaturen mit sich bringen. Es ist allgemein wünschenswert in der Lage zu sein, solche Stapel innerhalb einer kurzen Zeitspanne hochzufahren. Bestimmte Anwendungen, wie etwa automobile Anwendungen, können ein vergleichsweise rasches und verlässliches Hochfahren aus Aufbewahrungsbedingungen deutlich unterhalb des Gefrierpunkts erfordern. Dies hat eine erhebliche Herausforderung dargestellt, und zwar sowohl wegen der vergleichsweise niedrigen Leistungsfähigkeit der Zellen bei solchen Temperaturen als auch wegen der Probleme, welche mit dem Wasserhaushalt in den Zellen zusammenhängen, wenn diese unter 0°C betrieben werden. Eine gewisse Menge Wasser ist für den ordnungsgemäßen Brennstoffzellenbetrieb erforderlich (zum Beispiel die Hydratisierung des Membranelektrolyten), und sie wird als ein Ergebnis des Bereitstellens elektrischer Leistung erzeugt. Jedoch bildet sich selbstverständlich Eis, wo flüssiges Wasser bei solchen Temperaturen vorhanden ist. Die Anwesenheit von Eis kann in Abhängigkeit davon, wie viel vorhanden ist und an welcher Stelle es sich befindet, problematisch sein, wenn aufbewahrt oder wenn hochgefahren wird.In certain applications, PEMFC stacks may be subjected to repeated on-off duty cycles, which entail storage for various long periods of time and at different temperatures. It is generally desirable to be able to boot up such stacks within a short period of time. Certain applications, such as automotive applications, may require relatively quick and reliable startup from well below freezing storage conditions. This has presented a considerable challenge, both because of the comparatively low efficiency of the cells at such temperatures and because of the problems associated with the water balance in the cells when operating below 0 ° C. A certain amount of water is required for proper fuel cell operation (for example, hydration of the membrane electrolyte) and is generated as a result of providing electrical power. However, ice, of course, forms where liquid water is present at such temperatures. The presence of ice can be problematic when stored or when it is up depending on how much it is and where it is located.
Verschiedene Gestaltungen von Brennstoffzellen und von Verfahren zum Hochfahren von Brennstoffzellen wurden im Stand der Technik entwickelt, um ein verbessertes Hochfahren von Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts vorzusehen. Beispielsweise offenbart die
Trotz der Fortschritte, welche bislang gemacht wurden, besteht weiterhin ein Bedarf nach einfacheren und effektiveren Verfahren zum Hochfahren von Brennstoffzellensystemen von einer Temperatur unter Null. Die vorliegende Erfindung stellt eine Möglichkeit zum Erfüllen dieser Bedürfnisse dar und liefert weitere verwandte Vorteile.Despite the progress made so far, there continues to be a need for simpler and more effective methods of starting up fuel cell systems from a temperature below zero. The present invention provides a way to meet these needs and provides other related advantages.
ZusammenfassungSummary
Als Teil des Prozesses zum Hochfahren eines Brennstoffzellensystems von Temperaturen unter Null kann man die latente Kristallisationswärme verwenden, welche in einem Wasservorrat vorhanden ist, welcher oberhalb der Gefriertemperatur gehalten wird. Während des Hochfahrens wird ein Wassersprüh-Teilsystem verwendet, um Wasser aus dem Vorrat auf eine Wärmetausch-Oberfläche in einem Wärmetauschelement zu sprühen, durch welches Kühlmittel von einem Brennstoffzellenstapel-Kühlmittelkreis zirkuliert. Das Wasser friert an der Wärmetausch-Oberfläche an, und die Kristallisationswärme wird mit dem zirkulierenden Kühlmittel durch die Wärmetausch-Oberfläche hindurch ausgetauscht, wobei das Kühlmittel und folglich der Brennstoffzellenstapel erwärmt werden. In einem automobilen Brennstoffzellensystem kann ein Wasservorrat bescheidener Größe überraschenderweise eine erhebliche Menge der Wärme bereitstellen, welche für Zwecke des Hochfahrens gewünscht ist.As part of the process of starting up a fuel cell system from below zero temperatures, one can use the latent heat of crystallization present in a supply of water maintained above the freezing temperature. During startup, a water spray subsystem is used to spray water from the reservoir onto a heat exchange surface in a heat exchange element through which coolant circulates from a fuel cell stack coolant loop. The water freezes at the heat exchange surface, and the heat of crystallization is exchanged with the circulating coolant through the heat exchange surface, thereby heating the coolant and hence the fuel cell stack. Surprisingly, in an automotive fuel cell system, a modestly sized water supply can provide a substantial amount of the heat desired for start-up purposes.
In der vorliegenden Erfindung umfasst das Brennstoffzellensystem einen Brennstoffzellenstapel, einen Kühlmittelkreis, welcher dazu ausgebildet ist, Kühlmittel durch den Brennstoffzellenstapel zu zirkulieren, und ein Wärmetauschelement in dem Kühlmittelkreis, in welchem das Wärmetauschelement eine Wärmetausch-Oberfläche umfasst und Kühlmittel auf einer Seite der Wärmetausch-Oberfläche fließt. Das System umfasst des Weiteren einen Behälter, welcher einen Wasservorrat umfasst, und ein Wassersprüh-Teilsystem, welches dazu ausgebildet ist, Wasser aus dem Wasservorrat in dem Behälter zu beziehen und das Wasser auf die andere Seite der Wärmetausch-Oberfläche zu sprühen. Speziell umfasst dann das Verfahren zum Hochfahren solch eines Brennstoffzellensystems von einer Temperatur unterhalb des Gefrierpunkts das Halten des Wasservorrats oberhalb der Gefriertemperatur vor dem Hochfahren, das Zirkulieren des Kühlmittels durch den Kühlmittelkreis (und folglich den Brennstoffzellenstapel und das Wärmetauschelement), das Beziehen von Wasser aus dem Wasservorrat in dem Behälter und das Sprühen des Wassers auf die andere Seite der Wärmetausch-Oberfläche, während das Brennstoffzellensystem auf einer Temperatur unterhalb des Gefrierpunkts ist. Als ein Ergebnis des Verfahrens friert Wasser an die Wärmetausch-Oberfläche an, und die Kristallisationswärme wird mit dem zirkulierenden Kühlmittel durch die Wärmetausch-Oberfläche hindurch ausgetauscht, wobei das Kühlmittel erwärmt wird.In the present invention, the fuel cell system includes a fuel cell stack, a coolant circuit configured to circulate coolant through the fuel cell stack, and a heat exchange element in the coolant circuit in which the heat exchange element includes a heat exchange surface and coolant on one side of the heat exchange surface flows. The system further comprises a reservoir containing a supply of water and a water spray subsystem adapted to draw water from the water reservoir in the reservoir and to spray the water to the other side of the heat exchange surface. Specifically, then, the method of starting up such a fuel cell system from a temperature below freezing includes maintaining the supply of water above the freezing temperature before startup, circulating the refrigerant through the refrigerant circuit (and thus the fuel cell stack and the heat exchange element), drawing water therefrom Water supply in the container and the spraying of the water to the other side of the heat exchange surface, while the fuel cell system is at a temperature below freezing. As a result of the process, water freezes to the heat exchange surface, and the heat of crystallization is exchanged with the circulating coolant through the heat exchange surface, thereby heating the coolant.
Während des Hochfahrens kann eine Anfangs-Leistungsmenge aus dem Brennstoffzellenstapel bezogen werden, während das Brennstoffzellensystem auf einer Temperatur unterhalb des Gefrierpunkts ist. Alternativ kann das Beziehen der Leistung verschoben werden, bis das System oberhalb des Gefrierpunkts ist, um das Erzeugen von Wasser in dem Stapel aus den elektrochemischen Reaktionen zu verhindern, welche darin stattfinden.During startup, an initial amount of power may be drawn from the fuel cell stack while the fuel cell system is at a temperature below freezing. Alternatively, the referencing of the power may be postponed until the system is above freezing to prevent the generation of water in the stack from the electrochemical reactions taking place therein.
Um den Wasservorrat vor dem Hochfahren oberhalb der Gefriertemperatur zu halten, ist der Wasservorratsbehälter thermisch gut isoliert (zum Beispiel Vakuum ummantelter Behälter). Des Weiteren kann das Brennstoffzellensystem einen elektrischen Heizer umfassen, welcher in thermischem Kontakt mit dem Wasservorrat ist. Wärme von dem elektrischen Heizer kann so verwendet werden, um den Wasservorrat oberhalb des Gefrierpunkts zu halten.In order to keep the water supply above the freezing temperature before start-up, the water reservoir is thermally well insulated (e.g. vacuum jacketed container). Furthermore, the fuel cell system may include an electric heater that is in thermal contact with the water supply. Heat from the electric heater can be used to hold the water supply above freezing.
In einer Ausführungsform wird auch das Wassersprüh-Teilsystem vor dem Hochfahren oberhalb der Gefriertemperatur gehalten. Dies kann ebenso erreicht werden, indem der oben erwähnte elektrische Heizer (oder ein anderer Heizer) verwendet wird, wenn er dazu ausgebildet ist, in ausreichendem thermischem Kontakt mit dem Wassersprüh-Teilsystem zu sein.In one embodiment, the water spray subsystem is also maintained above freezing temperature prior to start-up. This can also be achieved by using the above-mentioned electric heater (or other heater) when it is designed to be in sufficient thermal contact with the water spray subsystem.
In einer alternativen Ausführungsform kann dem Wassersprüh-Teilsystem erlaubt werden, auf dieselbe Temperatur unter Null zu fallen wie der Rest des Brennstoffzellensystems. Hier kann jedoch das Wassersprüh-Teilsystem von Wasser entleert werden, bevor das Brennstoffzellensystem einer Temperatur unterhalb des Gefrierpunkts ausgesetzt wird. Auf diese Weise ist vor dem Hochfahren kein zu gefrierendes Wasser in dem Wassersprüh-Teilsystem vorhanden.In an alternative embodiment, the water spray subsystem may be allowed to fall to the same temperature below zero as the rest of the fuel cell system. Here, however, the water spray subsystem can be drained of water before the fuel cell system is exposed to a temperature below freezing. In this way, there is no water to be frozen in the Wassersprüh subsystem prior to startup.
Das Wassersprüh-Teilsystem kann eine Wasserpumpe und eine Sprühdüse umfassen. Die Wasserpumpe kann in wünschenswerter Weise selbstansaugend sein, insbesondere in Ausführungsformen, in welchen das Wassersprüh-Teilsystem gelegentlich von Wasser entleert wird.The water spray subsystem may include a water pump and a spray nozzle. The water pump may desirably be self-priming, especially in embodiments in which the water spray subsystem is occasionally drained of water.
Das Verfahren der Erfindung ist im Allgemeinen zur Verwendung in Systemen geeignet, welche Feststoff-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapel umfassen. Zum Beispiel kann das Verfahren für eine Verwendung in einem luftgekühlten Brennstoffzellensystem in Betracht gezogen werden, welches typischerweise einen Feststoff-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapel einsetzt. In solch einer luftgekühlten Möglichkeit wird typischerweise Umgebungsluft erhalten und sowohl als Oxidationsmittel als auch Kühlmittel verwendet. Wenn das vorliegende Verfahren verwendet wird, kann das Wärmetauschelement hier die Oxidationsmittel/Kühlmitteldurchgänge in dem luftgekühlten Brennstoffzellensystem sein. Das Verfahren ist jedoch insbesondere geeignet für eine Verwendung in automobilen Brennstoffzellensystemen, in welchen typischerweise wässrige Frostschutz-Flüssigkühlmittel eingesetzt werden.The process of the invention is generally suitable for use in systems containing solid polymer electrolyte Include fuel cell stack. For example, the method may be considered for use in an air cooled fuel cell system, which typically employs a solid polymer electrolyte fuel cell stack. In such an air-cooled mode, ambient air is typically obtained and used as both an oxidant and coolant. Here, when the present method is used, the heat exchange element may be the oxidant / coolant passages in the air-cooled fuel cell system. However, the method is particularly suitable for use in automotive fuel cell systems in which typically aqueous antifreeze liquid refrigerants are used.
In einer automobilen Ausführungsform kann eine ausreichende Menge an latenter Wärme zum Hochfahren von einem Wasservorrat erwartet werden, welcher mehr als oder etwa 0,03 Liter Wasser pro kW Leistungsvermögen von dem Brennstoffzellenstapel umfasst. In bestimmten zweckmäßigen Ausführungsformen kann der Wasservorrat weniger als oder etwa 2 Liter Wasser umfassen.In an automotive embodiment, a sufficient amount of latent heat may be expected to ramp up from a water reservoir that includes more than or about 0.03 liters of water per kW of power from the fuel cell stack. In certain preferred embodiments, the water supply may comprise less than or about 2 liters of water.
Oft können automobile Brennstoffzellensysteme bereits Elemente in ihrem Kühlmittelkreis umfassen, welche als geeignete Wärmetauschelemente für das vorliegende Verfahren dienen. Solche Elemente können wenige bis gar keine Abänderungen benötigen, um ein geeignetes Sprühwasser-Teilsystem aufzunehmen. Alternativ kann ein Element für Zwecke des vorliegenden Verfahrens in den Kühlmittelkreis eingebracht werden.Often automotive fuel cell systems may already include elements in their coolant circuit which serve as suitable heat exchange elements for the present process. Such elements may require little to no modification to accommodate a suitable spray water subsystem. Alternatively, an element may be incorporated into the coolant loop for purposes of the present method.
Elemente, welche oft in Kühlmittelkreisen auftauchen und welche als Wärmetauschelemente dienen, können umfassen: einen Kontaktbefeuchter, einen Ladeluftkühler und/oder einen Kühler. Typischerweise ist ein Kontaktbefeuchter sowohl in dem Kühlmittelkreis als auch in einem Oxidationsmitteleinlass des Brennstoffzellenstapels angeordnet. Ein Ladeluftkühler kann in Brennstoffzellensystemen eingesetzt werden, welche einen Luftverdichter zum Bereitstellen von verdichteter Luft an einem Oxidationsmitteleinlass des Brennstoffzellenstapels umfassen. Der Ladeluftkühler ist zwischen dem Luftverdichter und dem Oxidationsmitteleinlass angeordnet. Ein Kühler ist an einer geeigneten Stelle in dem Kühlmittelkreis angeordnet, um Wärme in die Umgebung abzugeben.Elements which often appear in coolant circuits and which serve as heat exchange elements may include: a contact humidifier, a charge air cooler and / or a radiator. Typically, a contact humidifier is disposed both in the coolant loop and in an oxidant inlet of the fuel cell stack. An intercooler may be employed in fuel cell systems that include an air compressor for providing compressed air at an oxidant inlet of the fuel cell stack. The charge air cooler is disposed between the air compressor and the oxidant inlet. A radiator is disposed at a suitable location in the coolant circuit to release heat to the environment.
Auf gleiche Weise kann das Brennstoffzellensystem Elemente enthalten, welche zum Teil als Wasservorrat, Behälter und/oder Wassersprüh-Teilsystem für das vorliegende Verfahren dienen können. Zum Beispiel kann, wie unten veranschaulicht, ein Brennstoffzellensystem eingesetzt werden, welches ein U-förmiges Rohr umfasst, welches mit Wasser gefüllt ist, um eine Niederdruck-Dichtung eines Oxidationsmittelauslasses des Brennstoffzellenstapels des Systems bereitzustellen. Der Wasservorrat, der Behälter und das Sprühwasser-Teilsystem der vorliegenden Erfindung können elegant in solch eine Anordnung integriert werden ohne eine große Abänderung des Brennstoffzellensystems.Likewise, the fuel cell system may include elements that may serve, in part, as a water supply, container, and / or water spray subsystem for the present process. For example, as illustrated below, a fuel cell system may be employed that includes a U-shaped tube filled with water to provide a low pressure seal of an oxidant outlet of the fuel cell stack of the system. The water supply, the container and the spray water subsystem of the present invention can be elegantly integrated into such an arrangement without a large modification of the fuel cell system.
Diese und andere Aspekte der Erfindung sind mit Bezug auf die angehängte Figur und die folgende ausführliche Beschreibung ersichtlich.These and other aspects of the invention will be apparent by reference to the attached figure and the following detailed description.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Ausführliche BeschreibungDetailed description
In dieser Beschreibung sollen Worte wie „ein” und „umfasst” in einem offenen Sinn aufgefasst werden, und sie sollen in der Bedeutung von wenigstens ein aber nicht beschränkt auf nur ein verstanden werden.In this description, words such as "a" and "comprising" are to be construed in an open sense, and are to be understood as meaning at least one but not limited to only one.
Vorliegend soll in einem quantitativen Kontext der Ausdruck „etwa” als im Bereich von bis zu plus 10% und bis zu minus 10% liegend aufgefasst werden.In the present case, in a quantitative context, the term "about" should be understood as lying in the range of up to plus 10% and up to minus 10%.
Das Verfahren der Erfindung nutzt die latente Kristallisationswärme, welche in einem Wasservorrat zur Verfügung steht, welcher oberhalb einer Gefriertemperatur gehalten wird, um beim Erwärmen und so beim Hochfahren eines Brennstoffzellensystems von Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts zu unterstützen. Wasser aus dem Vorrat wird auf eine geeignete Wärmetausch-Oberfläche in einem Wärmetauschelement oder in Elementen gesprüht, durch welches oder welche Kühlmittel aus einem Brennstoffzellenstapel-Kühlmittelkreis zirkuliert. Das Wasser friert an der Wärmetausch-Oberfläche an, und die Kristallisationswärme wird mit dem zirkulierenden Kühlmittel durch die Wärmetausch-Oberfläche hindurch ausgetauscht, wodurch das Erwärmen des Kühlmittels erfolgt oder erheblich unterstützt wird und das Brennstoffzellensystems hochgefahren wird.The process of the invention utilizes the latent heat of crystallization available in a supply of water which is maintained above a freezing temperature to aid in heating, and thus at startup, of a fuel cell system from below freezing temperatures. Water from the reservoir is sprayed onto a suitable heat exchange surface in a heat exchange element or elements through which coolant circulates out of a fuel cell stack coolant loop. The water freezes on the heat exchange surface, and the heat of crystallization is exchanged with the circulating coolant through the heat exchange surface, whereby the heating of the coolant takes place or is greatly assisted and the fuel cell system is started up.
Ein beispielhaftes automobiles Brennstoffzellensystem, welches hochgefahren werden kann, indem das Verfahren der Erfindung verwendet wird, ist schematisch in
Die Zellen in dem Brennstoffzellenstapel
Das Kühlmittel wird dem Stapel
Das Brennstoffzellensystem
Während des normalen Betriebs wird der Brennstoffzellenstapel
Des Weiteren dient während des normalen Betriebs der Wasservorrat
Wenn das Brennstoffzellensystem
Wenn jedoch erwartet wird, dass das Brennstoffzellensystem
In der in
Das Verfahren wird dann fortgesetzt, bis das Kühlmittel und der Brennstoffzellenstapel
Obwohl
Vielleicht überraschenderweise zeigen Berechnungen, dass erwartet werden kann, dass eine bescheidene Menge an Wasser eine ausreichende Menge an latenter Wärme für das Hochfahren eines typischen automobilen Brennstoffzellenstapels bereitstellt. Zum Beispiel kann ein Wasservorrat, welcher mehr als oder etwa 0,03 Liter pro kW des Leistungsvermögens von dem Brennstoffzellenstapel umfasst und oberhalb der Gefriertemperatur gehalten wird, eine ausreichende Menge an latenter Wärme haben. In bestimmten zweckmäßigen Ausführungsformen kann daher der Wasservorrat weniger als oder etwa 2 Liter Wasser umfassen.Perhaps surprisingly, calculations indicate that a modest amount of water can be expected to provide a sufficient amount of latent heat to power up a typical automotive fuel cell stack. For example, a supply of water containing more than or about 0.03 liters per kW of the capacity of the fuel cell stack and maintained above the freezing temperature may have a sufficient amount of latent heat. In certain preferred embodiments, therefore, the water supply may comprise less than or about 2 liters of water.
Alle vorgenannten US-Patente, Veröffentlichungen von US-Patentanmeldungen, US-Patentanmeldungen, ausländischen Patente, ausländischen Patentanmeldungen und nicht der Patentliteratur zugehörigen Publikationen, auf welche in dieser Beschreibung Bezug genommen wurde, sind hiermit in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme einbezogen.All of the above US patents, publications of US patent applications, US patent applications, foreign patents, foreign patent applications, and non-patent literature referenced in this specification are hereby incorporated by reference in their entirety.
Obwohl bestimmte Elemente, Ausführungsformen und Anwendungen der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben wurden, ist es natürlich verständlich, dass die Erfindung nicht hierauf beschränkt ist, da Abänderungen vom Fachmann vorgenommen werden können, ohne vom Wesen und Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen, insbesondere im Lichte der vorstehenden Lehren. Zum Beispiel ist es möglich, obwohl die vorstehende Beschreibung hauptsächlich auf flüssigkeitsgekühlte Brennstoffzellensysteme gerichtet war, die offenbarten Verfahren für luftgekühlte oder andere Brennstoffzellensysteme ebenso in Betracht zu ziehen. Solche Abwandlungen sind innerhalb des Bereichs und Umfangs der nachstehenden Ansprüche zu berücksichtigen.Although particular elements, embodiments and applications of the present invention have been shown and described, it is to be understood that the invention is not limited thereto, as modifications may be made by those skilled in the art without departing from the spirit and scope of the present disclosure, particularly in light of the art preceding teachings. For example, although the above description has been directed primarily to liquid cooled fuel cell systems, it is possible to contemplate the disclosed methods for air cooled or other fuel cell systems as well. Such modifications are to be considered within the scope and scope of the following claims.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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